【正文】 溢流壩常用的四種消能工程型式的特點見35表。表35 溢流壩下游的消能工程型式 消能方式設(shè)計計算參數(shù)優(yōu)點缺點適用條件挑流消能 反弧半徑：R挑角：θ工程量小沖刷大、霧氣大基巖好、ΔH大底流消能池長:L池深當(dāng)Fr=～9，消能穩(wěn)定工程量大河床基巖差，H下變幅大面流消能反弧半徑：R挑角：θ挑坎高度：a工程量小出流態(tài)不易控制尾水變幅不大消力戽消能反弧半徑：R挑角：θ挑坎高度：a工程量小，消能效率高出流態(tài)不易控制尾水變幅不大 (1)挑流消能工程(圖336)圖336 挑流消能工程 (2)底流消能工程(圖337)圖337 底流消能工程4. 底孔泄水建筑物設(shè)計要點 壩身泄水孔是重力壩和拱壩常用的型式之一，根據(jù)孔口在壩體上的位置，可分為中孔和深孔。 壩身泄水孔的進(jìn)口高程及孔口尺寸壩身泄水孔的進(jìn)口高程除應(yīng)滿足工程要求的泄放水流的要求外，還應(yīng)滿足最小淹沒水深的要求。若壩身泄水孔主要用于放空水庫，就應(yīng)該按照工程的放空要求確定其進(jìn)口高程及孔口尺寸，本節(jié)以放空底孔的進(jìn)口高程及孔口尺寸的確定為例，介紹壩身泄水孔的進(jìn)口高程及孔口尺寸的確定。放空底孔的進(jìn)口高程及斷面尺寸的擬定需要進(jìn)行通過放空計算確定。即首先初步擬定幾組底孔的進(jìn)口高程及斷面尺寸，進(jìn)行放空計算，選擇一組滿足放空要求的底孔進(jìn)口高程及斷面尺寸。 放空底孔的進(jìn)口高程用于放空目的的底孔的進(jìn)口高程，應(yīng)位于淤砂高程之上，在最低放空水位之下并滿足最小淹沒深的要求，即放空底孔在最低放空水位時應(yīng)滿足最小淹沒深的要求。若底孔進(jìn)口以上水深淹沒不足，在水面上會發(fā)生立軸旋渦，嚴(yán)重時可貫通而將空氣引至放空孔洞內(nèi)，引起放空孔洞內(nèi)混凝土的空蝕。當(dāng)放空底孔前沿對稱來水時，最小淹沒深可按下式計算式中，S—為最小淹沒深。 V—相應(yīng)于h的斷面平均流速。h—進(jìn)口后的均勻洞身高度。忽略行進(jìn)流速，(H為洞身中心線至進(jìn)口處上游水面的水頭)。 式中，—流量系數(shù)，~。2 放空時間計算的初始條件 （1）放空時間 應(yīng)根據(jù)所設(shè)計的樞紐工程的基本設(shè)計資料確定放空庫水的時間。（2）放空水位 放空水位一般是從正常水位放至死水位，或根據(jù)所設(shè)計的樞紐工程的基本設(shè)計資料確定。（3）參加放空泄水的建筑物 根據(jù)所設(shè)計的樞紐工程的具體情況，確定在放空時段內(nèi)參加放空泄水的建筑物的泄水流量，一般應(yīng)計入電站的引用流量。（4）放空時段內(nèi)的上游來水量 放空時段一般選擇在枯水期，根據(jù)所設(shè)計的樞紐工程的水文資料查找該時段的上游來水量。3 放空時間計算 當(dāng)從正常水位至放空水位的水位高差較大時，放空時間應(yīng)分幾個水位段進(jìn)行計算，見圖338，可以參考表36進(jìn)行放空時間計算。 圖338 放空時間計算示意圖 表36放空時間計算上游水位 （m）庫容（m3）平均水位（ m）Q溢（m3/s）Q電（m3/s）Q底（m3/s）Q來（m3/s）Q下（m3/s）H上H下表中 Q溢為當(dāng)所取的計算庫容在溢流堰頂以上時，溢流壩下泄的流量。Q電為電站的設(shè)計引用流量。Q底為放空泄水底孔的流量，為流量系數(shù)，A為初步擬定的放空泄水底孔的過水?dāng)嗝婷娣e。Q下= Q溢+Q電+Q底—Q來。總放空時間T= 庫容/Q下 。選擇總放空時間滿足所設(shè)計的樞紐工程要求的斷面尺寸作為放空泄水底孔的過水?dāng)嗝妗? 壩身泄水孔的進(jìn)口段布置 壩身泄水孔的進(jìn)口段需要設(shè)置進(jìn)口漸變段（喇叭口段）、通氣孔、平壓管、壓坡段等。 進(jìn)口漸變段進(jìn)口漸變段(圖339)應(yīng)使進(jìn)口水流平順，減少水頭損失，控制負(fù)壓生產(chǎn)，其體型應(yīng)符合流線型。常采用的型式是一個三向或四向收縮的矩形喇叭形進(jìn)水口，喇叭口的上唇曲線為1/4橢圓，長軸 孔口高度，短軸 ，喇叭口的兩側(cè)曲線為1/4橢圓，長軸 =孔寬度，短軸 ，喇叭口的下唇曲線可以同上唇曲線為1/4橢圓，或為1/4圓。圖339 進(jìn)口漸變段2 通氣孔 通氣孔作用是對于無壓泄水孔用于向明流段充氣，避免孔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓及空蝕現(xiàn)象，并可減弱水流的波動。對于有壓泄水孔(圖340)，當(dāng)上游關(guān)閉檢修門，開啟工作閘門進(jìn)行洞內(nèi)檢修時，用于對洞內(nèi)進(jìn)行補氣；檢修完畢后，在檢修閘門與工作閘門間需充水平壓，以減少檢修閘門的啟閉力，這時通氣孔起排氣作用。圖340 有壓泄水孔通氣孔布置通氣孔布置原則：（1）有利于安全操作的正常運用。（2）通氣孔頂端應(yīng)在上游高水位以上，并與啟閉機室分開，外口應(yīng)有防護(hù)罩。（3）通氣孔內(nèi)口應(yīng)盡量靠近閘門下游面，并力求設(shè)在門后管道頂板最高位置。 （4）通氣孔體形力求平順，避免突變，在必須轉(zhuǎn)彎處，應(yīng)適當(dāng)加大彎道半徑，以減少氣流阻力。通氣孔面積選擇：由于影響補氣量的因素很多，目前通氣孔孔口尺寸的確定仍停留在經(jīng)驗階從而。以前設(shè)計使用補氣量公式最常用的是康拜爾經(jīng)驗公式。目前依據(jù)水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范設(shè)于泄水管道中的工作閘門或事故閘門，其門后通氣孔面積可按下列經(jīng)驗公式計算： （712） 式中，—通氣孔的斷面面積，m2?！饪椎某浞滞饬浚琺3/s?！饪椎脑试S風(fēng)速，m/s，一般取用40m/s，對于小型閘門可取50 m/s。——閘門孔口的水流流速，m/s。A——閘門后管道面積，m2。3 平壓管 平壓管是設(shè)在泄水孔或隧洞前后兩個閘門之間的閘墩或邊墩內(nèi)的水管，或設(shè)在閘門上的一種管閥。當(dāng)泄水孔或隧洞檢修完畢后，放下工作閘門，通過平壓管向兩個閘門之間充水，使檢修閘門前后的水壓力相等，可以有效地減少檢修閘門的啟門力。管徑一般為20cm。4 攔污柵 攔污柵是設(shè)置在進(jìn)口最前端的一種格柵，以阻止較大的漂浮物進(jìn)入遂洞。（見第四章，3進(jìn)水口主要設(shè)備的設(shè)計）5 漸變段 進(jìn)出口部位為適應(yīng)閘門的要求而設(shè)計成矩形，有壓泄水孔孔身段一般采用圓形斷面，圓形斷面過水能力大，受力條件好，所以在閘門與孔身段之間應(yīng)設(shè)置足夠長度的漸變段，以使水流平順過渡。漸變段的長度一般為孔徑的2~3倍。（詳見第四章，2 進(jìn)水口的型式和尺寸）6 閘門槽的形狀和尺寸 進(jìn)口檢修閘門一般采用平板閘門，支承閘門的閘門槽常因體形形狀不當(dāng)，造成水流脫壁，產(chǎn)生空蝕破壞。因此在高水頭的情況下，閘門槽應(yīng)采用圖341所示的形狀，使水流平順地沿側(cè)壁斜坡流動。圖341 平板閘門門槽形式7 壓坡段 有壓泄水孔出口控制著整個泄水孔內(nèi)壓力的分布狀況，考慮到泄水孔內(nèi)可能因局部體形不當(dāng)或其他問題出現(xiàn)壓力降低，產(chǎn)生空蝕破壞，一般在有壓泄水孔出口處應(yīng)設(shè)設(shè)置收縮斷面，增加孔內(nèi)壓力，改善出口壓力分布，以保證洞內(nèi)為滿流狀態(tài)。壓坡段(圖342)頂部坡率一般采用1：4~1：6之間，或收縮量大致為孔身面積的10%~15%，其長度一般為3m~6m。圖342 有壓孔洞和無壓孔洞示意圖3 孔身段布置 有壓泄水孔孔身段可以采用圓形斷面，這樣需要在檢修閘門之后和工作閘門之前設(shè)置漸變段。無壓泄水孔明流段部分需要保證在泄水水面線以上有一定的凈空余幅，所以其設(shè)計較復(fù)雜。 無壓泄水孔明流段底緣曲線1 無壓泄水孔明流段底緣曲線無壓泄水孔在工作閘門后明流段的底部應(yīng)與孔口出流水舌的底緣一致，一般采用射流拋物線線型(圖343)，在閘孔與拋物線起點之間設(shè)一段直線緩沖段，也可以直接做成一定坡度的直線形。圖343 無壓泄水孔明流段底緣曲線射流拋物線為：式中：——為防止負(fù)壓而采用的安全系數(shù)，=。V——起始斷面的流速，為工作閘門孔口中心線出的工作水頭，為流速系數(shù)，可取?！獟佄锞€起點（坐標(biāo)x、y的原點）處切線與水平方向的夾角，當(dāng)拋物線起點（坐標(biāo)x、y的原點）處切線為水平時，θ取0，則2 無壓泄水孔明流段頂部高程無壓泄水孔明流段的頂部高程應(yīng)在泄水水面線上保持一定高度的凈空(圖344)。當(dāng)孔身段為矩形時，凈空高度可為最大流量時不摻氣水深的30%~50%。當(dāng)孔身段為城門洞形時，拱角距水面的高度可為最大流量時不摻氣水深的20%~30%。圖344 城門洞形無壓泄水孔2 無壓泄水孔明流段頂部高程無壓泄水孔明流段的頂部高程應(yīng)在泄水水面線上保持一定高度的凈空(圖344)。當(dāng)孔身段為矩形時，凈空高度可為最大流量時不摻氣水深的30%~50%。當(dāng)孔身段為城門洞形時，拱角距水面的高度可為最大流量時不摻氣水深的20%~30%。圖344 城門洞形無壓泄水孔3 明流段的水面線計算 明流段的水面線計算可根據(jù)水力學(xué)中的分段求和法求得?？梢杂猛跽藿ㄗh的簡單近似公式估算。（1）在直線段上，某截面處水深ds式中，—定型設(shè)計水頭。D—直線段起始斷面處水深，取為壓力段出口處斷面高度。L—計算斷面離起始斷面的水平距離。i—底坡。（2）拋物線段上的沿程水深dp （3）反弧段起始斷面的水深dc —反弧段起點與庫水位高差，反弧段上水深的沿程變化可以忽略不計。4出口 反弧段 壩身泄水孔的出口一般多采用單圓弧式，其反弧半徑可采用為反弧段最低點的水深，也可以參考以下經(jīng)驗公式選取。，為反弧段末端與庫水位高差。，的含義見圖345。圖345 計算示意圖 反弧段末端高程應(yīng)保證泄水孔為自由出流，或略低于下游最高尾水位。5. 岸邊正槽式溢洪道設(shè)計要點 岸邊正槽式溢洪道的孔口尺寸以及閘孔口分孔工作，在水庫的調(diào)洪演算時已完成，在此主要是擬定岸邊正槽式溢洪道的縱向剖面結(jié)構(gòu)形式及尺寸。圖346 正槽式溢洪道的上下游視圖 正槽式溢洪道的位置選擇 1 正槽式溢洪道的位置選擇 圖347 西北口水庫正槽式溢洪道 地形條件 盡可能選擇原地面高程與正常蓄水位高程相近埡口作為布置正槽式溢洪道的位置，使工程的開挖量小。盡可能使上游引渠短，以減小水頭損失。要有利于下泄洪水歸入原河道。2 地質(zhì)條件 布置正槽式溢洪道軸線的兩岸山坡應(yīng)有一定的整體穩(wěn)定性，良好的基巖可節(jié)省溢洪道泄水槽混凝土襯砌的工程量。3 管理運行 正槽式溢洪道位置選擇應(yīng)使整個水利樞紐管理運行方便。2 溢洪道的過水流量校核對調(diào)洪演算擬定的溢洪道孔口進(jìn)行分孔，確定了閘墩的形式和厚度后，應(yīng)準(zhǔn)確地確定流量系數(shù)和收縮系數(shù)，再根據(jù)式（3）校核其過水流量。（3）式中，Q——溢洪道的過水流量，m3/s。B——初步擬定孔口總凈寬，m。m——流量系數(shù)。ε——側(cè)收縮系數(shù)。g——重力加速度。 對于低實用堰(圖48)，應(yīng)考慮堰高P1對流量系數(shù)取值的影響：（1） 為高堰，流量系數(shù)接近常數(shù)，不受堰高P1的影響。（2）為低堰，流量系數(shù)，與堰體高度有關(guān)，受堰高P1的影響，當(dāng)P1較小時，水流縱向收縮不完善，是低堰的下限值。要求：（3）小，水流經(jīng)過堰面路程過短，不能逐漸轉(zhuǎn)向，要求。其中為定型設(shè)計水頭，按堰頂最大作用水頭的75%~95%選取。圖348 實用堰型 溢流堰示意圖圖349 正槽式溢洪道組成3 正槽式溢洪道各組成部分的設(shè)計 正槽式溢洪道由引水渠、溢流堰（控制堰）、泄水槽、消能設(shè)施、尾水渠組成（圖349 ）。 引水渠 1 引水渠 引水渠作用是將庫水平順引至溢流堰前。引水渠（圖350）在平面布置上應(yīng)盡可能短，以減小水頭損失，避免平面布置上的轉(zhuǎn)彎。圖350 引水渠示意圖引水渠橫斷面一般為梯形斷面，斷面要足夠大，使得過水流速之內(nèi)。引水渠縱斷面的底坡為平底，或不大的逆坡。2 溢流堰（控制堰） 溢流堰（圖351）的作用是控制溢洪道的泄水能力。圖351 溢流堰的上下游視圖溢流堰形成控制的條件是：溢流堰前的引水渠斷面要足夠大，溢流堰后的泄水槽底坡要足夠陡，兩者的過水能力均超過溢流堰時，溢流堰才能起到控制整個溢洪道的泄水能力的作用。溢流堰的堰型(圖352)有寬頂堰、低實用堰、駝峰堰（復(fù)合園弧構(gòu)成的低堰）。圖352 溢流堰的堰型低實用堰的堰面曲線一般采用WES冪曲線，具有較大的流量系數(shù)，溢流壩剖面較小，便于施工防樣。堰頂曲線的表達(dá)式為：式中，——剖面定型設(shè)計水頭，按堰頂最大作用水頭的75%~95%選取。，——與上游面坡度有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)上游壩面垂直時，當(dāng)上游壩面坡度為3：1時。對于WES標(biāo)準(zhǔn)堰面(圖353)，其基本剖面的大致范圍是：x＝(－～)Hd，y=(0～)Hd，下游堰面宜陡于1：1。實用堰常用反弧與下游底板相連接。由于低堰溢流曲線平緩，要求堰下反弧半徑要比溢流壩采用較大的數(shù)值，一般取(～)(P1+H)，H為校核洪水位的堰上水頭。圖353 WES標(biāo)準(zhǔn)堰面溢流堰堰頂上游面曲線段為橢圓或三心園曲線(詳見本章2 溢流壩頂上游面曲線段）。溢流堰的設(shè)計計算包括穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)計算。（參見《水工建筑物》課件，第八章水閘，閘室的穩(wěn)定計算及閘室的結(jié)構(gòu)計算） 3 泄水槽（陡坡段） 泄水槽的作用是將下泄洪水由水庫的上游水位高程降至下游水位高程。泄水槽設(shè)計的主要任務(wù)是確定泄水槽底坡和泄水槽的橫